BIAŁA BIOTECHNOLOGIA. Biotechnologia Przemysłowa. HALINA KALINOWSKA Instytut Biochemii Technicznej, Politechnika Łódzka

Transkrypt

1 BIAŁA BIOTECHNOLOGIA Biotechnologia Przemysłowa HALINA KALINOWSKA Instytut Biochemii Technicznej, Politechnika Łódzka

2 BIOTECHNOLOGIA Zastosowanie systemów biologicznych, organizmów żywych lub ich składników celem wytwarzania lub modyfikowania określonych produktów lub procesów Biokatalizatory: enzymy, abzymy, rybozymy w formie preparatów o różnej czystości (rozpuszczalnych lub unieruchomionych), całych komórek (głównie drobnoustrojów) lub ich fragmentów Synzymy biokatalizatory otrzymane na drodze syntezy lub chemicznej modyfikacji enzymów

3 BIOTECHNOLOGIA Metody z zakresu biotechnologii wykorzystywano od tysięcy lat w produkcji piwa, wina, chleba itp. Szybki rozwój od drugiej połowy XX w, związany z rozwojem technik inżynierii genetycznej, umożliwiającym doskonalenie właściwości biokatalizatorów oraz zrozumieniem zależności pomiędzy strukturą i funkcją białek, w tym białek katalitycznych Metabolomika umożliwienie inżynierowania całych procesów metabolicznych w komórkach pod kątem określonych potrzeb

4 Otrzymywanie ulepszonych mikroorganizmów Do połowy XX wieku przypadkowa mutageneza i selekcja Od połowy XX wieku inżynieria metabolizmu; ukierunkowana mutageneza; podejście redukcjonistyczne XXI wiek koncepcja przezroczystej komórki (transparent cell), uwzględniająca cały metabolizm komórki podejście holistyczne; era postgenomowa W przyszłości zastępowanie tradycyjnych organizmówgospodarzy sztucznymi komórkami minimalnymi (minimal cells), łatwymi w hodowli, wolnymi od zbędnych metabolitów, dającymi się szybko dostosować do potrzeb każdego procesu

5 Biotechnologia przemysłowa Nowoczesne zastosowanie biotechnologii celem zrównoważonego przetwarzania odnawialnych surowców i produkcji chemikaliów, materiałów i paliw, a także w ochronie środowiska. Podstawowe narzędzia: biokatalizatory Obszary zastosowań: przemysł chemiczny, farmaceutyczny, spożywczy, paszowy, celulozowopapierniczy, włókienniczy, energetyka oraz ochrona środowiska - EuropaBio

6 Podział BIOTECHNOLOGII wg. EuropaBio Biała Biotechnologia - Biotechnologia przemysłowa Czerwona Biotechnologia - Biotechnologia w ochronie zdrowia, m.in. produkcja nowych biofarmaceutyków, genoterapia i ksenotransplantologia Zielona Biotechnologia - Agrobiotechnologia, metody inżynierii genetycznej w produkcji roślinnej i zwierzęcej

7 Biotechnologia przemysłowa Wykazuje ogromny potencjał aplikacyjny Pozwala na ukierunkowanie przemysłu na nowe produkty bądź na zmianę procesów technologicznych Zastąpienie tradycyjnych procesów chemicznych przez bioprocesy: zdecydowanie prostsze linie technologiczne mniejsze zużycie energii i wody znaczna redukcja kosztów

8 Biopaliwa (biodiesel, bioetanol) Agro-przemysł Nowe środki ochrony roślin Biorafinerie Przedsiębiorstwa weterynaryjne Nowe chemikalia Nowe biokatalizatory Biotechnologia przemysłowa Nowe szczepionki i leki dla zwierząt, nutraceutyki w paszy Bioremediacja, bioutylizacja Sektor ochrony środowiska Procesy biotransformacji i biokonwersji Nowe szczepionki Antybiotyki Biofarmaceutyki Nowe enzymy dla przemysłu spożywczego Biogaz, syngaz Przemysł chemiczny Sektor ochrony zdrowia Substancje słodzące dla diabetyków Nutraceutyki Żywność funkcjonalna Producenci żywności

9 Knowledge-Based Bio-Economy (KBBE) BIAŁA BIOTECHNOLOGIA jeden z podstawowych działów biogospodarki Cologne Paper 2007: En Route to Knowledge Based Bio-Economy

10 PODSTAWOWE BIOPRODUKTY Bioetanol 26 x 106 ton rocznie Kwas L-glutaminowy 1 x 106 ton Kwas cytrynowy 1 x 106 ton L-lizyna 3,5 x 105 ton Kwas mlekowy 2,5 x 105 ton Enzymy dla produkcji żywności 1 x 105 ton Witamina C 8 x 104 ton Kwas glukonowy 5 x 104 ton

11 Inside the Cell Factory Various Carbohydrates feedstock Nucleotides Lipids Glycolysis Glycolysis Lipids Amino acids Lipids Amino acids products Komórka w roli fabryki Energy 98-07/ Kuenen,2004

12 Cykl Biokatalizy Reaktanty Odzysk produktu Proces Ekonomia Downstream Odzysk in situ Inżynieria biokatalizatora Inżynieria komórki Nowe reakcje Selekcja biokatalizatora Skrining Komórka czy enzym? Aplikacje Stabilność Immobilizacja Kofaktory Systemy wielofazowe Produkty Inżynieria procesu Inżynieria białka Charakterystyka biokatalizatora Kinetyka Warunki reakcji Informacje strukturalne

13 GMO: Znaczenie dla Polski Wykorzystanie ogromnego potencjału, jaki niesie ze sobą zastosowanie GMO w biotechnologii przemysłowej to szansa na rozwój polskiej gospodarki. Polska jest w stanie opracowywać i wdrażać nowe technologie w zakresie biotechnologii przemysłowej. Jeśli nie podejmiemy wyzwania międzynarodowego współzawodnictwa na tym polu, to szansę tę zaprzepaścimy bezpowrotnie. W utracie tej szansy należy upatrywać najpoważniejszego zagrożenia dla Polski związanego z GMO. Biotechnologia przemysłowa jest kluczową technologią służącą wytwarzaniu innowacyjnych, przyjaznych środowisku produktów Janez Potocnik Komisarz Europejski ds. Nauki i Badań Naukowych

14 Biotechnologia przemysłowa Daje istotne korzyści ekologiczne: nie powoduje wzrostu efektu cieplarnianego wykorzystując odnawialne surowce roślinne wspiera sektor rolniczy wytwarza produkty biodegradowalne zmniejsza ilość odpadów chemicznych i zużycie toksycznych chemikaliów

15 Porównanie procesów chemicznych z bioprocesami fermentacja /biokataliza proces chemiczny Powierzchnia Zużycie energii 1,00 0,50 Emisja Potencjalna toksyczność Zużycie surowców Ryzyko Marcel Wubbolts

16 BIOTECHNOLOGIA PRZEMYSŁOWA CZYSTA OPARTA O SUROWCE ODNAWIALNE INNOWACYJNA KONKURENCYJNA

17 Odnawialne Surowce - Biomasa Roczna produkcja: 170 x 109 ton 75% - cukrowce 20% - ligniny 5% - lipidy, białka, terpeny, sterole itp. Wykorzystanie: 3,5% 62% - żywność, pasza 33% - energia, papier, materiały budowlane 5% - tekstylia, chemikalia

18 Kierunki rozwoju biotechnologii przemysłowej według Strategic Research Agenda Nowoczesne enzymy i mikroorganizmy Optymalizacja działania enzymów Genomika mikrobiologiczna i bioinformatyka Inżynieria i modelowanie metabolizmu Innowacyjne procesy izolacji i oczyszczania bioproduktów Innowacyjna inżynieria fermentacyjna Projektowanie procesów biokatalitycznych

19 Jakimi działami biotechnologii przemysłowej interesują się polskie przedsiębiorstwa? 1 Enzymy i mikroorganizmy obecnie do 2007 do 2013 Procent przedsiębiorstw o ulepszonych właściwościach 2 Genomika mikroorganizmów i bioinformatyka 3 Działanie i optymalizacja biokatalizatorów 4 Inżynieria procesów fermentacyjnych 5 Procesy izolacji i oczyszczania bioproduktów 6 Procesy biotechnologiczne w oczyszczaniu produktów 7 - Biopaliwa 8 Badania substancji bioaktywnych 9 Nie prowadzi badań w zakresie biotechnologii

20 Branże biotechnologii przemysłowej o realnych szansach rozwoju w najbliższym dziesięcioleciu 1. Biorafinerie 2. Biopaliwa 3. Produkcja enzymów 4. Biomateriały / Biopolimery 5. Biokataliza w syntetycznej chemii organicznej 6. Biotechnologia środowiska

21 Biorafinerie W swoich założeniach naśladują w pewien sposób tradycyjne rafinerie bazujące na surowcach kopalnych: wykorzystywany surowiec jest frakcjonowany w celu dalszej obróbki bądź uformowania produktu. Wszechstronność składu biomasy zapewnia możliwość produkowania zarówno chemikaliów masowych, jak i związków o wysokiej wartości przy jednoczesnym generowaniu ciepła i energii potrzebnych do obsługi zakładu produkcyjnego.

22 OGÓLNY SCHEMAT BIORAFINERII Biopaliwa H2 Etanol Biomasa Cukry i inne Biochemikalia witaminy enzymy antybiotyki i inne Biomateriały Polimleczan i inne EU, US NL, JP

23 Dlaczego biopaliwa? Paliwa kopalne: Krótkoterminowa strategia otrzymywania produktów Biomasa + Biokataliza = Długoterminowa strategia otrzymywania produktów BIOENERGIA = BIOPALIWA + BIOCIEPŁO + ENERGIA ELEKTRYCZNA ze źródeł odnawialnych

24 Produkcja biopaliw

25 CUKROWCE jako źródło biopaliw Celuloza, skrobia glukoza etanol, biogaz, syngaz, węglowodory, wodór Hemicelulozy pentozy etanol, biogaz, syngaz, wodór Konieczność stosowania enzymów rozkładających nie tylko polisacharydy, ale także ligninę

26 Produkcja H2 przez Drobnoustroje Fotosyntetyzujące Applied Microbiology Biotechnology 2006, 72:

27 BIOETANOL Etanol z materiałów ligninocelulozowych biopaliwo pozwalające ograniczyć zużycie ropopochodnych paliw stosowanych w transporcie Nowe enzymy celulolityczne, hemicelulazy i oksydoreduktazy zdolne do depolimeryzacji roślinnej biomasy Pozyskiwanie, gromadzenie i przetwarzanie informacji dotyczących interesujących cech mikroorganizmów Racjonalne udoskonalanie pozyskanych biokatalizatorów Poszukiwanie wydajnych, energooszczędnych i ekonomicznie interesujących metod wstępnej obróbki biomasy Pozyskiwanie i doskonalenie nowych mikroorganizmów Opracowanie i optymalizacja procesu przemysłowego Zagospodarowanie produktów ubocznych i odpadowych

28 Zawartość biokomponentów w paliwach płynnych stosowanych w transporcie - Dyrektywa 2003/30/KE [%] ,

29 Inżynierowanie metabolizmu pentoz w komórkach drożdży celem zwiększenia wydajności produkcji etanolu z hemiceluloz - Current Opinion in Biotechnology 2006, 17:

30 Produkcja paliwa z dodatkiem eteru etylo-tert-butylowego uzyskiwanego z etanolu Applied Microbiology Biotechnology 2004, 66:

31 BIODIESEL- PALIWO z OLEJÓW ROŚLINNYCH i innych tłuszczów oraz bioetanolu lub metanolu Biodiesel = mieszanina estrów metylowych i/lub etylowych kwasów tłuszczowych Olej, tłuszcz zwierzęcy, tłuszcz odpadowy itp. + etanol lub metanol + katalizator (enzym- lipaza lub katalizator chemiczny) = BIODIESEL + glicerol

32 Inne produkty biokonwersji LIPIDÓW strukturyzowane triacyloglicerole (niska kaloryczność, zawartość PUFAω3 itp.) zamiennik tłuszczu kakaowego chiralne diacyloglicerole, lizofosfolipidy, estry kwasów tłuszczowych i cukrów, ketony metylowe, glicerol, kwasy tłuszczowe środki smakowo-zapachowe, prostaglandyny, feromony, poliestry, laktony, bezwodniki kwasów trójkarboksylowych

33 Biokonwersja innych grup substancji Biokonwersja białek Produkty: aktywne biologicznie peptydy (np. opioidowe), białka o zwiększonej zawartości aminokwasów egzogennych, peptydy zawierające nienaturalne aminokwasy, pochodne aminokwasów (naturalne i nienaturalne) Z białek odpadowych także BIOGAZ Biokonwersja ligniny, lignitu (węgla brunatnego), steroli, terpenów, karotenoidów itp.

34 Biokonwersja lignin i związków lignino-podobnych do kwasu 2-pirono-4,6-dikarboksylowego (PDC, substrat do produkcji bioplastików) Applied Microbiology Biotechnology 2006, 71:

35 PREPARATY ENZYMÓW Obszary zastosowań biokatalizy: przemysł spożywczy i paszowy przemysł chemiczny i farmaceutyczny produkcja detergentów i środków do prania przemysł tekstylny przemysł celulozowo-papierniczy przemysł wydobywczy

36 Biomateriały / biopolimery Polimleczan Polihydroksymaślan Celuloza bakteryjna Inne polimery o charakterze polisacharydów lub polihydroksykwasów

37 Produkcja celulozy przez Acetobacter xylinum, m.in. w podłożu z sacharozą lub melasem cell cellulose ribbon twist 50 nm 100 nm cellulose II 75 nm 100 nm

38 Struktura celulozy bakteryjnej (SEM microscopy) 0,1% 0,6% 0,8% 1,5%

39

40

41

42 Otworzenie brzucha i ułożenie CB w jamie otrzewnowej szczura

43

44 Biokataliza w syntetycznej chemii organicznej Izolowane enzymy, całe mikroorganizmy oraz biokatalizatory nowej generacji (abzymy, enzymy modyfikowane chemicznie bądź półsyntetyczne) Nietypowe warunki biokatalizy immobilizacja biokatalizatorów, środowiska niewodne Bardzo często enzymy pozwalają prowadzić procesy niemożliwe do osiągnięcia metodami tradycyjnej syntezy organicznej Wysoka specyficzność działania biokatalizatorów

45 Biotechnologia środowiskowa Wykorzystanie osiągnięć technik biologii molekularnej dla potrzeb biotechnologii środowiskowej Rozpoznanie występowania i opracowanie skutecznych biologicznych metod usuwania różnorodnych ksenobiotyków (związków ropopochodnych, soli metali ciężkich, rozpuszczalników organicznych, związków farmaceutycznych itp.) ze środowiska Rozwój hybrydowych (skojarzonych) technik biotechnologicznych np. łączenie procesów biologicznych z metodami zaawansowanego (pogłębionego) utleniania (AOPs-advanced oxidation processes) Wykorzystanie technik membranowych w biotechnologii środowiskowej

46 BIORAFINERIA oparta o BURAK CUKROWY NOWE PROCESY i PRODUKTY uzyskane na drodze biokonwersji sacharozy, melasy, wysłodków oraz soku z buraków cukrowych Brak odpadów Ewentualne odpady po poszczególnych bioprocesach można poddać konwersji do biogazu

47 Produkty konwersji sacharozy Inwert Syropy wysokofruktozowe Polisacharydy Fruktooligosacharydy i inne prebiotyki Estry sacharozy i kwasów tłuszczowych Pochodne w/w produktów konwersji, w tym etanol, kwas mlekowy, pochodne dekstranu itp. Biopolimery

48 Transformacja sacharozy przez dekstranosacharazę EC Donor Akceptor Produkt Sacharoza Maltoza Dekstran M.cz. 6 x 106 kda j.w. Glukoza Oligosacharydy DP< 10; Potencjalne prebiotyki j.w Fruktoza j.w. j.w Rafinoza j.w. j.w D-Sorbitol j.w.

49 Immobilizacja grzybni Aspergillus niger ŁOCK 0431 w piankach poliuretanowych podczas hodowli wgłębnych szczepu produkującego DEKSTRANOSACHARAZĘ

50 Analiza HPLC mieszaniny reakcyjnej po 24 godzinach syntezy w 46,5% (w/v) roztworze sacharozy z udziałem grzybni unieruchomionej w piance PU po 24 godzinach FN Fru 13% 1% Nys 31% Kes 17% Glc 30% Sach 8%

51 Transformacja sacharozy przez inne enzymy Amylosacharaza amyloza (1,4-α-glukan) Inulinosacharaza inulina (2,1-β-D-fruktan) Lewanosacharaza lewan (2,6-β-D-fruktan) Alternanosacharaza alternan (α-1,3, α-1,6glukan) Izomeraza sacharozowa izomaltuloza, trehaluloza, izomaltoza i izomelezytoza

52 Transformacja sacharozy przez lewanosacharazę Applied Microbiology Biotechnology 2006, 71:

53 Estry sacharozy i kwasów tłuszczowych Pharmaceutical Research 2003, 20:

54 Estry sacharozy i kwasów aromatycznych Chemistry of Natural Compounds 2000, 36:

55 Chemiczna modyfikacja dekstranu Russian Journal of Applied Chemistry 2004, 77:

56 Polialdehydowe pochodne dekstranu Russian Journal of Applied Chemistry 2004, 77:

57 Dekstran modyfikowany aromatycznymi aminami Russian Journal of Applied Chemistry 2004, 77:

58 Matryca węglowa z sacharozy- dla potrzeb NANOTECHNOLOGII Journal of Materials Science Letters 1998, 17:

59 Przykładowa struktura glikodendrymeru Reviews in Molecular Biotechnology 2002, 90:

60 Przykładowa struktura glikodendrymeru Reviews in Molecular Biotechnology 2002, 90:

61 Przykładowa struktura glikodendrymeru Reviews in Molecular Biotechnology 2002, 90:

62 Przykładowa struktura glikodendrymeru Reviews in Molecular Biotechnology 2002, 90:

63 INNE PRODUKTY otrzymywane na bazie BURAKA CUKROWEGO Biokonwersja melasy: bioetanol, biomasa drożdży i innych drobnoustrojów, mannitol, kwas mlekowy, bioplastiki, polisacharydy bakteryjne i grzybowe, beta-karoten i inne substancje biologicznie czynne

64 INNE PRODUKTY otrzymywane na bazie BURAKA CUKROWEGO Biokonwersja wysłodków A) skład chemiczny wysłodków Polisacharydy (65-80% s.m.), w tym celuloza (22-30%), hemicelulozy (2432%) z przewagą arabanu i galaktanu i pektyna (24-32%) Lignina (3-4% s.m.) Kwas ferulowy związany z polisacharydami: 0,8% s.m. (stosowany m.in. jako filtr UV w kosmetykach) Można je wykorzystać jako paszę lub wykorzystać do produkcji biopaliw. B) kwas ferulowy -> enzymatyczna konwersja-> WANILINA lub LIGNANY (nutraceutyki korzystnie wpływające na działanie przewodu pokarmowego) Arabinoza produkcja leków Ramnoza produkcja aromatów Cała frakcja ligninocelulozowa preparaty błonnika pokarmowego

65 Konwersja produktów degradacji ligniny i pektyny w LIGNANY, katalizowana przez lakkazę Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2006, 42: 27-31

66 Dziękuję za uwagę